徐冠彤

引 言

近年來發(fā)生的地震中，近場地震帶來的災(zāi)害日益顯著，對近場地震的研究已經(jīng)得到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。我國是一個地震多發(fā)國家，境內(nèi)地震帶及地震斷層眾多，許多城市就位于斷層附近或地震帶中。汶川地震、青海玉樹地震以及云南彝良地震的接連發(fā)生說明我國很可能又進(jìn)入了一個新的地震活躍期。

本文對近場問題的研究進(jìn)行了比較全面的總結(jié)，包括：近場地震動的定義和基本特性的研究以及近場地震動對工程結(jié)構(gòu)影響研究，并指出目前在研究中仍然存在的問題。

1 近場地震動的定義

近場地震動也稱為近斷層地震動，是指當(dāng)震源距較小時，震源輻射地震波中的近場和中場相比不能被忽略的區(qū)域的地震動[1]。從地震學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，近場被定義為在震源周圍一定比例波長范圍內(nèi)的位置。目前，雖然關(guān)于近場地震動沒有一個統(tǒng)一的定義，大多數(shù)研究人員都認(rèn)為近場地震動是指強(qiáng)烈地依賴于斷層的破裂機(jī)制、包含明顯的破裂方向性效應(yīng)和永久的地面位移的地震動[2]。

近場區(qū)域的劃分至少與震級大小、斷層的類型、斷層的尺度、斷層的埋深和斷層的破裂過程等因素有關(guān)。震源機(jī)制、斷層破裂方向與場地的關(guān)系以及斷裂面的相對滑動方向等因素，使近場地震動表現(xiàn)出與一般的遠(yuǎn)場地震動明顯不同的性質(zhì)。近場地震動最顯著的特點(diǎn)是方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的脈沖型地震動，并且以速度脈沖型地震動最為常見，可能引起大尺度的永久地面位移。但是，并不是所有的近場地震動都含有速度脈沖。

2 近場地震動的基本特征

2.1 上盤效應(yīng)

對于一般的傾斜斷層，破裂面和地表面的夾角成銳角的一側(cè)稱為上盤，另一側(cè)則稱為下盤。在傾斜斷層中，到斷層的地表斷裂跡線C點(diǎn)距離相等的兩點(diǎn)A、B，分別處于上盤和下盤，A點(diǎn)地震動比B點(diǎn)的地震動要大，而且上盤的強(qiáng)地震動衰減比下盤的要緩，強(qiáng)地震動的分布區(qū)域要大，強(qiáng)烈地震動主要分布在上盤，這就是所謂的上盤效應(yīng)。上盤效應(yīng)是近場地震動的一個重要的特征，特別是逆沖斷層的上盤效應(yīng)十分明顯[2]。在地震動參數(shù)衰減關(guān)系修正過程中將上盤效應(yīng)的影響考慮進(jìn)去是十分必要的。

2.2 破裂的方向性效應(yīng)

當(dāng)斷層破裂面朝著一個觀測點(diǎn)展開，且破裂的傳播速度接近剪切波速時，將導(dǎo)致斷層面輻射的大部分能量幾乎同時到達(dá)這個觀測點(diǎn)，在該點(diǎn)的記錄開始部分形成一個明顯的長周期脈沖[2]，這就是破裂的方向性效應(yīng)。破裂的方向性效應(yīng)可以簡單地用多普勒效應(yīng)來解釋。

一般而言，方向性效應(yīng)指的都是向前的方向性效應(yīng)，因?yàn)槭芟蚯暗姆较蛐孕?yīng)影響的地震動對建筑結(jié)構(gòu)的破壞更嚴(yán)重[2]。其產(chǎn)生條件須滿足：斷層破裂方向朝向場地（或夾角較?。?；斷層破裂速度接近場地的剪切波速。向前方向性效應(yīng)使垂直斷層走向的速度分量的峰值和地震動反應(yīng)譜在中長周期段的譜值明顯比平行斷層走向的大；在速度時程中，方向性效應(yīng)脈沖型地震動一般由兩個或多個明顯的半周期速度脈沖組成，多表現(xiàn)為雙向的速度脈沖，在位移時程中一般不存有殘余位移。

2.3 滑沖效應(yīng)

滑沖效應(yīng)是由地震時斷層兩盤的相對運(yùn)動造成的，表現(xiàn)為單方向的速度脈沖和階躍式的永久地面位移，這種殘留位移是由地震時斷層兩盤的相對運(yùn)動引起的。在走滑斷層中平行于斷層方向或傾滑斷層中斷層滑動方向均有可能產(chǎn)生滑沖效應(yīng)，在傾滑斷層地震動中，滑沖效應(yīng)與向前方向性效應(yīng)對垂直斷層方向的分量都有貢獻(xiàn)，兩者也可能耦合在一起[3]。

目前，雖然已經(jīng)獲得許多近場地震動記錄，但受滑沖效應(yīng)影響的地震動記錄還相對較少，而且滑沖效應(yīng)經(jīng)常和向前方向性效應(yīng)混在一起，不容易區(qū)分。綜合國內(nèi)外的研究成果來看，大家對于滑沖效應(yīng)的研究并不是很深入，僅僅是從定性的角度出發(fā)，還無法從定量或統(tǒng)計(jì)的角度給出特定的規(guī)律。這方面還需要進(jìn)一步的積累資料，進(jìn)行更多的研究。

2.4 豎向加速度效應(yīng)

對于一般的地震動，由于豎向加速度比相應(yīng)的水平加速度要小，峰點(diǎn)值通常被假設(shè)為水平方向的2/3。盡管豎向加速度對大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說意義并不大，但是對于近場地震動來說并非總是如此。越來越多的近場加速度記錄表明2/3這個值是偏小的。對于普遍認(rèn)為的比值2/3，當(dāng)場地離斷層較近時，短周期段將遠(yuǎn)超過此值，而長周期段用此值估計(jì)又顯得保守。與遠(yuǎn)場豎向地震動相比，近場豎向地震動包含更多的高頻成分。雖然從荷載角度上講，近場地震動的豎向作用增強(qiáng)，但實(shí)際中按現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)往往在豎向有較大的冗余度，所以近場地震動的豎向加速度效應(yīng)是否會對目前的結(jié)構(gòu)造成威脅仍是需要研究的問題。

3 國內(nèi)外關(guān)于近場地震動的研究進(jìn)展

對于近場地震動特性的研究方面，目前，由于近場脈沖型地震動本身所具有的簡單波形的特點(diǎn)，采用簡單脈沖模型的方法已被多數(shù)的研究者認(rèn)可。然而應(yīng)該指出，雖然將上述模型稱為簡單脈沖模型，但事實(shí)上不同模型之間數(shù)學(xué)表達(dá)式的繁簡程度差異較大，對實(shí)際地震動的近似能力也不盡相同，在具體分析問題時，應(yīng)在簡單性與精確性兩者之間合理的進(jìn)行選擇。

對于近場地震動對建筑結(jié)構(gòu)的影響方面，國內(nèi)外相關(guān)研究可以看出，大多學(xué)者研究所選用的地震動記錄較少，所得出的結(jié)論只反映了嚴(yán)格挑選出來的個別近場脈沖型地震動記錄的特點(diǎn)，不具有脈沖型地震動特征的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

對于近場地震動對橋梁結(jié)構(gòu)的影響的研究中，存在的缺點(diǎn)主要是選用的近場脈沖型地震動記錄較少造成的，缺乏必要的統(tǒng)計(jì)性，并且所作的研究大都只是一些定性的研究。隨著技術(shù)水平的提高和地震動觀測臺站的增多，在最近的幾次地震中，獲得了大量近場地震動記錄，使得利用大量地震動研究近場地震動對于橋梁結(jié)構(gòu)的影響成為可能。

對于抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中近場地震動的考慮方面，雖然目前人們對近場地震動破壞性的認(rèn)識有了明顯的提高，一些國家如美國、日本等的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對于近場地震動有了明確的考慮。這些考慮或者體現(xiàn)在規(guī)范條文中，或者直接體現(xiàn)在抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜上。相比較而言，我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對近場地震動的規(guī)定較弱。震源機(jī)制對近斷層地震動反應(yīng)譜影響究竟有多大，各種震源機(jī)制水平分量地震動反應(yīng)譜和我國規(guī)范反應(yīng)譜相差有多遠(yuǎn)，都需要進(jìn)一步的研究。

4 近場地震動研究中存在的問題

（1）由于近場地震動記錄有限，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時經(jīng)常采用斷層距一個參數(shù)來區(qū)分近場和遠(yuǎn)場，而相對忽略了各種近場效應(yīng)對地震動的影響。

（2）場地條件對近場地震動的特性影響分析，需要通過具體的研究才能給出定論。

（3）關(guān)于向前方向性效應(yīng)的研究較多，但是對于上下盤效應(yīng)和向后方向性效應(yīng)研究較少，有待進(jìn)一步研究。

（4）近場地震動水平大尺度永久地面位移已有部分認(rèn)識，而對豎向大尺度永久位移還未給予足夠的重視。此外，對地表破裂與地震震源、傳播效應(yīng)以及場地之間的關(guān)系認(rèn)識的還不夠。

（5）對已有的結(jié)構(gòu)加固方法和性能評估方法中，近場地震動中到底是加速度、速度還是位移脈沖起控制作用還存在爭議，因此近場地震動破壞勢的物理標(biāo)準(zhǔn)也是值得研究。

（6）已有的研究很少探討破裂的向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的兩種不同速度脈沖將對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和抗震性能的影響，對兩種性質(zhì)不同的脈沖型地震動一般是不加區(qū)別的。

參考文獻(xiàn)

[1]俞言祥，高孟譚.2001.臺灣集集地震近場地震動的上盤效應(yīng)[J].地震學(xué)報(bào)，23（6）：615～621.

[2]李爽.近場脈沖型地震動對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)影響，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，1～134.

[3]田玉基，楊慶山，盧明奇.近斷層脈沖型地震動的模擬方法.地震學(xué)報(bào)，2007，29（1）：77～84.